Jednotka separace vzduchu pro chemickou látku

Technologie kryogenního separace vzduchu se po mnoho let úspěšně používá k zajištění kyslíku pro zplyňování různých surovin uhlovodíků k výrobě syngas pro výrobu paliv, chemikálií a dalších cenných produktů. Příklady zahrnují
Převod kapaliny a pevného odpadu z rafinérií na vodík pro použití uvnitř rafinérií, jakož i koprodukci nelektriky, a rostoucí zájem o procesy zkapalňování zemního plynu, které přeměňují zemní plyn na syntetický ropa, vosky a paliva. V posledních letech, za účelem snížení nákladů na vybavení nebo zlepšení účinnosti, se stále více pozornosti věnovala kombinace procesu výroby kyslíku a závodu na postižení uhlovodíků. Jsou popsány tradiční a rozvíjející se procesy produkce kyslíku a integrované schémata pro zlepšení ekonomiky těchto zařízení.

 

Obsah

1. Naoverview nekryogenní technologie zpracování průmyslového plynu

   1.1 Adsorpce

   1.2 Polymerní membránový systém

2. TEPLIKA Průmyslového zpracování průmyslového plynu

   2.1 Přehled kryogenního zpracování

   2.2 Cyclecompression Cycle Cyclecompresion Compression

   2.3 Pročerpání kapalinového cyklu kapaliny

   2.4 Nízkotlaké a vysokotlaké cykly

3. Porovnání alternativ procesu a vylepšení technologií

4. Conclusion

Kontaktujte hned

1. Naoverview nekryogenní technologie zpracování průmyslového plynu

1.1 Adsorpce

Adsorpční proces je založen na schopnosti některých přírodních a syntetických materiálů přednostně adsorb dusík. V případě zeolitů existuje nehomogenní elektrické pole v prázdných prostorech materiálu, což má za následek preferenční adsorpci molekul, které jsou více polarizované, jako jsou ty s většími elektrostatickými kvadrupólovými momenty. Při separaci vzduchu jsou tedy molekuly dusíku silněji adsorbovány než molekuly kyslíku nebo argonu. Když vzduch prochází vrstvou zeolitového materiálu, dusík je zachován a proud bohatý na kyslík opouští zeolitovou vrstvu. Molekulární pomlčky uhlíku jsou stejného řádu jako molekuly vzduchu. Vzhledem k tomu, že molekuly kyslíku jsou o něco menší než molekuly dusíku, rozptýlí se do dutin adsorbentu rychleji. Molekulární síta uhlíku jsou tedy selektivní pro kyslík a molekulární síta jsou selektivní pro dusík. Zeolity se běžně používají v procesech výroby kyslíku na bázi adsorpce. Komprimovaný vzduch se přivádí do nádoby obsahující adsorbent. Dusík je adsorbován a proud odpadních vod bohatých na kyslík se produkuje, dokud není postel nasycena dusíkem. V tomto okamžiku se napájecí vzduch přepne na čerstvou nádobu a může začít regenerace prvního lůžka. Regenerace lze dosáhnout zahříváním lože nebo snížením tlaku lože, čímž se sníží rovnovážný obsah dusíku v adsorbentu. Vytápění je obvykle označováno jako adsorpce teplotního houpačky (TSA) a snižování tlaku se obvykle označuje jako tlakový výkyv nebo vakuová houpací adsorpce (PSA nebo VSA). Snížený tlak má krátký cyklus a je snadné jej ovládat, což z něj činí preferovaný proces pro rostliny separace vzduchu. Mezi změny procesu, které ovlivňují provozní účinnost, zahrnují předběžné ošetření vzduchu k odstranění vody a oxidu uhličitého samostatně, více lůžek, které umožňují zotavení tlakové energie během přepínání lůžka a vysavaní provoz během sníženého tlaku. Systém je optimalizován na základě toku produktu, čistoty, tlaku, spotřeby energie a očekávané životnosti. Čistota kyslíku je obvykle 93% až 95% podle objemu.

 

1.2 Polymerní membránový systém

Membránové procesy používající polymerní materiály jsou založeny na rozdílech v rychlosti difúze kyslíku a dusíku pomocí membrány, která odděluje vysokotlaké a nízkotlaké procesní proudy. Flux a selektivita jsou dvě vlastnosti, které určují ekonomiku membránového systému a obě jsou funkcemi specifického membránového materiálu. Membránový tok určuje povrchovou plochu membrány a je funkcí tlakového rozdílu děleného tloušťkou membrány. Konstanta proporcionality, která se mění s typem membrány, se nazývá propustnost. Selektivita je poměr permeability plynů, které mají být odděleny. Většina membránových materiálů je propustná pro kyslík než pro dusík kvůli menší velikosti kyslíkové molekuly. Membránové systémy jsou obecně omezeny na produkci vzduchu obohaceného kyslíkem (25% až 50% kyslíku). Aktivní nebo usnadněné přenosové membrány obsahují kyslíkové komplexní činidlo pro zvýšení selektivity kyslíku a jsou potenciální metodou zvyšování čistoty kyslíku v membránových systémech, za předpokladu, že jsou také k dispozici membránové materiály kompatibilní s kyslíkem. Hlavní výhodou separace membrány je jednoduchost procesu, jeho kontinuita a jeho provoz za téměř ambientních podmínek. Dmychadlo poskytuje dostatečný tlak hlavy k překonání poklesu tlaku přes filtry, membránové zkumavky a potrubí. Membránové materiály se obvykle sestavují do válcových modulů, které jsou spojeny dohromady více připojeními, aby poskytly požadovanou výrobní kapacitu. Kyslík prostupuje přes vlákna (typ dutých vláken) nebo skrz listy (typ spirálové rány) a je extrahován jako produkt. Vakuové čerpadlo obvykle udržuje diferenciál tlaku přes membránu a dodává kyslík při požadovaném tlaku. Oxid uhličitý a voda jsou obvykle přítomny ve vzduchovém produktu obohaceném kyslíkem, protože jsou pro většinu membránových materiálů propustné než kyslík. Membránové systémy se však snadno přizpůsobují aplikacím až 20 tun denně, kde lze tolerovat čistotu vzduchu obohaceného o kontaminanty oxidu oxidu uhličitého a oxidu uhličitého. Tato technologie je novější než adsorpční nebo kryogenní technologie a zlepšení materiálů může učinit membrány atraktivnější pro větší požadavky na kyslík.

 

2. TEPLIKA Průmyslového zpracování průmyslového plynu

2.1 Přehled kryogenního zpracování

Kryogenní technologie separace vzduchu je v současné době nejúčinnější a nákladově nejefektivnější technologií pro produkci velkého množství plynného nebo kapalného kyslíku, dusíku a argonu. Jednotky separace vzduchu (ASUS) používají konvenční kryogenní destilační proces více sloupců k výrobě kyslíku ze stlačeného vzduchu při vysokém zotavení a čistotě. Kryogenní technologie může také produkovat dusík s vysokou čistotou jako užitečný tok vedlejších produktů za relativně nízké přírůstkové náklady. Kromě toho lze do břidlice přidat kapalný argon, kapalný kyslík a kapalný dusík pro skladování zálohování produktu nebo prodeje vedlejších produktů při nízkých přírůstkových kapitálových a elektřině. Výzkum pokračuje ve způsobech zvýšení produktivity vlaků jednotlivých zařízení jako prostředku ke snížení jednotkových nákladů prostřednictvím úspor z rozsahu. Většina zařízení používá konvenční elektrické motory k vedení zařízení ke komprimaci krmiva vzduchu na ASU, jakož i kyslík a další proudy produktů. Je pozoruhodné, že zařízení IGCC dostávají veškerý přívod vzduchu tím, že extrahuje vzduch z plynových turbín používaných v kombinovaném cyklu k výrobě elektřiny ze syntézy uhlí.

 

2.2 Cyclecompression Cycle Cyclecompresion Compression

Procesy separace vzduchu obvykle produkují proud plynového produktu při mírně nad atmosférickým tlakem a téměř okolní teplotou. Kyslík produktu obvykle ponechává hlavní výměník tepla při nízkém tlaku, v rozmezí od 3,5 do 7 0. 0 MPa a odstředivý kompresorový vlak s relativně vysokým vstupním objemovým průtokem dodává produkt při požadovaném tlaku.

 

2.3 Pročerpání kapalinového cyklu kapaliny

Kapalné produkty mohou být odebrány z kryogenních výměníků tepla proti proudu od destilační sekce pro odpařování a zahřívání. Tyto výrobky mohou být čerpány do požadovaného doručovacího tlaku nebo středního tlaku. Protože však energie potřebná k výrobě kapalných produktů z destilačního systému je 2 až 3krát vyšší než výroba plynných produktů, musí být cyklus účinný při získávání chladiva obsaženého v proudu čerpaných produktů. Toho je dosaženo kondenzací odpařeného proudu produktu v kryogenním tepelném výměníku proti proudu přívodního vzduchu nebo dusíku. Zkapalněný přívod vzduchu nebo dusíku se vrací do destilační sekce pro chlazení. Čerpané kapalné procesní cykly, které čerpají toky produktu k přechodnému tlaku na výstupu vzduchové separační jednotky, se nazývají částečné čerpané kapalné cykly a vyžadují další zařízení ke komprimu toku produktu k konečnému doručovacímu tlaku. Úplné nebo částečné čerpání proudů produktů přidává další stupeň svobody při optimalizaci kryogenního cyklu a může eliminovat nebo snížit velikost kyslíkového kompresoru.

2.4 Nízkotlaké a vysokotlaké cykly
Cykly separace vzduchu s nízkým tlakem (LP) jsou založeny na komprimaci přívodního vzduchu pouze s požadavkem na tlak k odmítnutí vedlejšího produktu dusíku při atmosférickém tlaku. Tlaky přívodního vzduchu se proto obvykle liší mezi 360 a 6 000 MPA, v závislosti na čistotě kyslíku a požadované úrovni energetické účinnosti. Vysokotlaké cykly ASU produkují toky produktu a vedlejších produktů při tlacích výrazně nad atmosférickým tlakem, obvykle vyžadují menší a kompaktnější kryogenní složky, které mohou ušetřit náklady. Cykly EP obvykle používají tlaky přívodního vzduchu nad 700 MPa. Cyklus EP může být vhodný, když je všechny nebo téměř veškerý vedlejší produkt dusíku komprimován jako proud produktu. Kromě toho je cyklus EP často vybrán tak, aby integroval ASU s jinými procesními jednotkami, jako jsou plynové turbíny.

 

3. Porovnání alternativ procesu a vylepšení technologií

 

Procesy adsorpce a polymerních membrány se budou i nadále zlepšovat náklady a energetickou účinnost prostřednictvím pokračujícího výzkumu a vývoje adsorbentů a membránových materiálů. Očekává se, že žádná technologie nebude zpochybnit kryogenní technologii ve své schopnosti produkovat velké množství kyslíku, zejména při vyšších čistostech. Adsorpční i membránové systémy produkují vedlejší produkt dusíku, který obsahuje významné množství kyslíku. Pokud je vyžadován dusík s vysokou čistotou, musí být ke zlepšení kvality dusíku použito další deoxygenace nebo jiné čištěcí systémy. Žádný proces nemůže přímo produkovat argony nebo ušlechtilé plyny. Produkce kapalného kyslíku nebo dusíku pro zálohování systému vyžaduje další kryogenní zařízení nebo přenos produktu z rostlinného zařízení. Na druhé straně jsou adsorpční a membránové procesy jednodušší a pasivnější než kryogenní technologie. Vzduch extrahovaný z kompresoru plynové turbíny může částečně nebo úplně splňovat požadavky na krmení ASU. V jednoduché konfiguraci nastaví tlak destilace ASU destilační tlak. Pokud je tok extrakčního vzduchu menší než celkový požadovaný ASU, použije se pomocný vzduchový kompresor, jehož tlak vypouštění bude odpovídat tlaku extrakčního vzduchu. Pokud je extrahovaný přívod vzduchu přibližně čtvrtinu celkové poptávky ASU, může být destilační tlak ASU stanoven nezávisle a může být použit čerpaný kapalný proces.

Vzduch s vysokým tlakem vaří tlakovým tekutým kyslíkem nebo dusíkem v zóně kryogenní výměny tepla. Pomocný přívod stlačeného vzduchu nastavuje destilační tlak ASU.

V zařízeních využívajících plynové turbíny lze vzduch extrahovat z různých důvodů.
Jako krmení na separační jednotku vzduchu, jako „výfukový“ chladicí vzduch pro samotnou turbínu nebo jiné požadavky na tlakový vzduch v zařízení. Extrahovaný vzduch obsahuje cenné teplo, které lze získat zpět varu kapaliny při diskrétních teplotních hladinách nebo rozumným přenosem tepla do jiné kapaliny. Jednou třídou aplikací, které využívají obnovené teplo, je regenerace rozpouštědla, což je proces, který nejprve provádí krok absorpce plynu/kapaliny a poté přenáší teplo do kapaliny k desorbování plynných produktů nebo kontaminantů. Tento krok má majetek, který příklady procesů, které mohou těžit z této tepelné integrace, zahrnují, ale nejsou omezeny na následující operace jednotek, které lze nalézt v uhlovodíkových zplyňování nebo zařízení pro zpracování uhlovodíků. Regenerace systému předvádění vzduchu na bázi kapaliny v rámci kryogenní separační jednotky vzduchu. Absorpční kroky na bázi kapaliny k odstranění kontaminantů z proudu vzduchu do rostlin separace vzduchu mohou těžit z zotavení tepla v tětvoře. V jednom provedení je horký vzduch ochlazen vzhledem k kapalným dnem ze sloupce absorbéru. Ochlazený vzduch vstupuje do sloupce a kontaktuje absorpční kapalinu, kde jsou nečistoty v proudu vzduchu absorbovány do kapaliny. Krok zahřívání vzduch-absorbentu desorbuje kontaminanty z absorpční kapaliny, která se potom vrátí do absorpční kolony. Absorpční systém může zahrnovat jednu nebo více tekutin v několika absorpčních krocích ke zvýšení odstraňování účinnosti nebo použití specifických absorpcí k odstranění specifických nečistot z proudu vzduchu. Absorpční regenerace může zahrnovat zahřívání z jiných zdrojů v kombinaci s zahříváním za účelem snížení tlaku na desorbování nečistot. Teplo z extrahovaného vzduchu může být získáno nepřímým kontaktem horkého vzduchu s procesní tekutinou nebo přenosem tepla ze vzduchu na pracovní tekutinu, jako je pára nebo inertní plyn. V tomto příkladu je vysoká hladina tepla generovaného z extrahovaného zdroje vzduchu přenesena do proudu dusíku, který se vrací do plynové turbíny. Extrahovaný vzduch je dále ochlazen kontaktem s absorbérem obohaceným dna používaným k předběžnému ošetření vzduchu na ASU.
Tento krok přenosu tepla lze také provést v jiných absorpčních systémech v pracovní oblasti neštovic nebo neštovic rostliny. V závislosti na rozpouštědle a absorpčním materiálu mohou být eliminovány kroky s vysokou hladinou tepla a veškeré extrahované teploty vzduchu použité pro regeneraci absorbéru.
CO2 lze zpracovat a prodávat jako vedlejší produkt nebo použít v rostlině. Příkladem je vrátit CO2 do plynové turbíny jako přidanou ředidlo.

 

4. Conclusion

Kryogenní procesy jsou v současné době preferovanou metodou pro dodávání průmyslových plynů do velkých zařízení. Integrace tepla, chlazení, procesních a odpadních toků mezi procesy průmyslového plynu a jinými jednotkami v celém zařízení může zlepšit efektivitu a snížit náklady. Pokročilé koncepty integrace tepla mohou v budoucnu usnadnit použití chemických nebo ITM procesů.